建造环境(BERL)课题组文诗豪博士在中科院一区期刊《Energy》(JCR Q1, IF=9.4)发表论文，提出一种新的非电、被动式应急空调新系统。为解决核电站主控室、数据中心断电事故下的制冷问题，基于主动式冷梁的压缩空气新风诱导和热管蓄冷换热的非能动原理，首次提出热管冷梁空调末端，并利用实验测试的方法研究了热管冷梁空调末端的冷却性能。此外，基于自由射流理论、伯努利原理和傅里叶热传导定律，提出了适用于热管冷梁空调末端二次回风量和制冷量的计算模型。

一、题目

Experimental and model study of a novel passive air conditioning with heat pipe chilled beam

该研究获得“十四五”国家重点研发项目资助（No. 2023YFC3708404）。

https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139755

二、作者

文诗豪，王晨华，张稼昕，刘素梅，刘俊杰（通讯作者）

三、研究亮点

l 为解决停电事故工况下的制冷问题，提出了热管冷梁系统；

l 该非能动冷却系统利用压缩空气和蓄冷系统实现非能动运行；

l 通过实验对热管冷梁的冷却性能进行了测试；

l 提出了冷梁制冷性能的计算模型。

四、摘要

在核电站主控室和数据中心等关键区域发生停电时，维持适宜的室内温度对于保障人员安全和设备散热至关重要。然而，传统的冷却系统依赖外部电源，突发停电往往会导致系统失效。为此，提出了非能动冷却系统解决断电事故下的制冷问题。本文基于主动式冷梁和分离式热管，提出了热管冷梁空调末端。该空调末端利用压缩空气诱导室内空气流动，增强强制对流换热；同时结合蓄冷系统，实现非能动运行。本文利用实验测试的方法研究了热管冷梁空调末端的冷却性能。结果表明，当室内空气与冷源之间的温差由11.8 ℃增加至25.1 ℃时，热管冷梁的制冷量由568.5 W提升至1545.5 W；一次风流量由25.88 m³/h增加至84.98 m³/h时，制冷量由709.6 W增至1664.7 W。此外，建立了热管冷梁制冷量的计算模型，误差控制在15%以内。

五、研究背景

在核电站主控室、机房等核心区遭遇电力中断时，维持室内适宜温度对于人员安全和设备散热至关重要。然而，传统的冷却系统依赖外部电源，突发停电会导致系统失效，造成室内余热难以排出。为应对此类事故，研究人员提出了非能动冷却系统作为一种无需外部电源的应急方案，能够在断电时提供冷却保障。当前断电事故工况下的冷却系统研究多集中于蓄冷墙体、压缩空气冷却和自然对流散热，这些方法在冷负荷处理量或新风引入上仍有局限性。因此，本研究以核电站主控制室为应用场景，对非能动冷却末端进行了深入探讨。

六、主要成果

1. 热管冷梁空调末端的性能

图1展示了热管冷梁空调末端从启动前的静态状态，经过启动后的快速冷却过程，直至最终达到稳定运行状态的各个温度指标（包括室内温度、二次回风冷却后的温度、蒸发器和冷凝器的表面温度）与制冷量的变化情况。各温度指标在最初的迅速下降后逐渐趋于稳定，大约在854 s时，热管冷梁空调末端进入了稳定运行阶段，各温度值保持相对稳定，随冷却水温度的波动而小幅波动。图中用蓝色线条表示制冷量的变化情况。在启动后的冷却阶段，该末端的制冷量迅速从0.0 W提升至1574.5 W。在末端稳定运行阶段，平均制冷量维持在1545.5 W（±29.2 W），显示出热管冷梁空调末端在长时间运行中的稳定性。

图1 热管冷梁空调末端启动后的冷却过程

2. 热管蒸发器表面温度分布

采用红外热成像技术呈现了热管冷梁空调末端中分离式热管蒸发器的温度分布。在实验前将热电偶作为校准基准，对红外成像仪进行了校准。图2 (a)上方的图展示了热管冷梁空调末端的红外图像，热管蒸发器表面温度分布几乎是均匀的。图2 (b)展示了热管蒸发器表面不同温度分布的占比。面积比例分析表明：表面温度主要分布在11.0 ℃~14.0 ℃之间，覆盖了69.4%的面积。

(a)

(b)

图2 热管蒸发器表面温度分布：(a)红外图像；(b)温度分布占比

3. 冷源温度和一次风量的影响

图3显示了在一次风量大约为45 m3/h，温差分别为11.8 ℃、16.7 ℃、20.5 ℃及25.1 ℃时，热管冷梁空调末端的制冷量、冷却时间、二次回风量与卷吸比的实验数据。

图3 不同温差下，热管冷梁空调末端的制冷量、二次回风量和卷吸比

图4-14对比了在室内环境与冷源的温差分别为0.0 ℃和19.5 ℃时，二次回风量与卷吸比随一次风量的变化趋势，以及在温差为19.5 ℃时，热管冷梁空调末端的制冷量随一次风量的变化趋势。

图4 不同一次风量下，热管冷梁空调末端的二次回风量、卷吸比和制冷量

4. 二次回风量和制冷量计算模型

图5展示了计算模型的验证结果，用于评估模型的准确性和可靠性。

图5 二次回风量和制冷量计算模型验证

七、结论

对热管冷梁空调末端的性能进行了测试，并搭建了相应的实验平台。研究内容包括分离式热管蒸发器和冷凝器的表面温度变化、蒸发器表面温度的均匀性、冷梁的二次回风量、卷吸比，以及该末端的制冷量和冷却时间等。

在启动阶段，热管冷梁系统中蒸发器与冷凝器的温度几乎同步下降，而室内空气及诱导气流温度在冷却后表现出一定的滞后响应。

启动过程中，热管冷梁制冷量从0.0 W增加到1574.5 W。在稳定运行阶段，平均制冷量为1545.5 W（±29.2 W）

热管蒸发器的表面温度分布均匀。当冷源与环境的初始温差为25.1 ℃时。蒸发器表面温度主要在11.0 ℃至14.0 ℃之间，覆盖了69.4%的面积。

当室内环境和冷源之间的温差分别为11.8 ℃、16.7 ℃、20.5 ℃及25.1 ℃时，制冷量从568.5 W增加到1545.5 W，二次回风量从214.14 m³/h增加到270.29 m³/h。此外，所需的冷却时间也比较接近，从588 s到854 s不等，没有明显波动。

当室内环境和冷源之间的温差为19.5 ℃，一次风量从25.88 m³/h增加到84.98 m³/h时，该冷却末端的二次回风量从151.05 m³/h增加到498.27 m³/h，制冷量从709.6 W稳定增加到1664.7 W。当温差为0.0 ℃，一次风量从20.29 m³/h增加到92.14 m³/h时，二次回风量从46.82 m³/h增加到458.35 m³/h

构建并验证了二次回风量计算模型，能够快速评估不同一次风量和温差条件下的二次回风量。在模型验证中，大多数计算结果与验证集中实验数据的误差接近0%，并且所有计算结果都在10%误差线以内，表明该计算模型具有较高的准确性和可靠性。

构建并验证了制冷量计算模型，能够快速评估不同二次回风量和温差条件下的制冷量。通过计算结果与实验数据的对比，大多数数据点的误差在15%以内，表明该模型在实际应用中具有良好的准确性。

八、引用格式

Shihao Wen, Chenhua Wang, Jiaxin Zhang, Sumei Liu, Junjie Liu. Experimental and model study of a novel passive air conditioning with heat pipe chilled beam. Energy. 344, (2026), p. 139755.

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稿件编辑：文诗豪

稿件审核：刘俊杰、田媛